“分子生物物理”課程建設中的探索

摘要：在課程建設的眾多環節中，建設合適的教學內容和運用恰當的教學方法至關重要。就“分子生物物理”課程建設中，如何把握好以上兩個環節，從而更好地培養研究生的動手能力，激發他們的創新精神方面做了初步探索。

關鍵詞：教學內容；教學方法；動手能力；創新精神

作者簡介：李春華（1974-），女，山東鄆城人，北京工業大學生命科學與生物工程學院，教授；張小軼（1974-），女，甘肅天水人，北京工業大學生命科學與生物工程學院，講師。（北京 100124）

基金項目：本文系2012年北京工業大學研究生課程建設項目（項目編號：CR2012-B-021）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0127-02

學科交叉是當前極富活力的領域，分子生物學與物理學的交叉——分子生物物理學日益受到人們的關注。[1]分子生物物理學是以生物大分子，即主要以核酸和蛋白質及其復合體作為研究對象，力求在分子水平上用物理學的概念、理論與技術來研究生命物質與生命過程。它是結構生物學、分子醫學和藥學專業的重要基礎課程。生物醫藥是北京工業大學生命科學與生物工程學院科研發展的重要方向之一，開設“分子生物物理學”課程十分必要。但如何結合學院特色進行該課程的建設，是一個值得思考的問題。先進適合的教學內容建設和恰當的教學方法運用無疑是至關重要的，本文就課程建設中如何把握好這兩方面的問題，培養研究生的動手能力，激發他們的創新精神方面，淺談一些心得和體會，與大家交流。

一、結合學院特色，設計先進的教學內容

恰當先進的教學內容對學生完善的知識框架的構筑，對創新思維的形成具有重要意義。圍繞國內外前沿，結合學院特色，筆者希望建設一門具有基礎性、寬廣性、系統性、實踐性和綜合性的“分子生物物理”課程。具體內容包括以下幾個方面。

1.蛋白質和核酸的基礎知識

蛋白質和核酸是分子生物物理研究的主要對象，是不可忽略的基礎知識部分。主要教學內容涵蓋：蛋白質和核酸的基本組成、結構層次、分類，維系蛋白質和核酸結構穩定的作用力及其本質，模擬生物大分子的數學物理模型及力場等。

這部分內容中的大部分，生物背景的學生在其本科階段的“生物化學”和“分子生物學”中有所接觸，但內容不夠深入，學生對此領域的知識沒有形成一定的體系。而非生物學科（如數學、物理、化學和計算機）來源的研究生則對這個領域基本沒有了解。因此，課程將全面系統地介紹這部分基礎知識，快速補齊部分學生的知識缺口。

此外，將大膽創新，結合國內外最新科研成果和學院的研究課題，系統深入地講解這部分內容。讓學生通過對具體實例和貼近自身研究對象的學習，來理解基本知識，并在今后的工作中靈活應用。如在講述蛋白質的1-4級結構和結構-功能關系時，將以學院重點課題所涉及的艾滋病病毒整合酶、蛋白酶和gp41蛋白以及某些耐高溫蛋白、信號轉導蛋白和離子通道蛋白為例，讓學生理解各種作用力對分子結構穩定性的影響，對其生物功能發揮的作用；還將介紹如何計算分子內部作用力的大小，如何用統計物理和生物信息學的方法預測這些作用力。抽象的概念和理論，因為有了具體的實例分析，會變得具體、形象和生動，有利于學生的理解，同時有助于他們在具體研究工作中應用這方面的知識。

2.蛋白質-配體相互作用與識別

蛋白質-配體相互作用在分子識別和信號傳導中起著重要作用，其研究對計算機輔助藥物設計和篩選具有重要意義。該部分內容與學院幾個重大科研方向密切相關，因此是課程的教學重點。主要內容包括：分子間相互作用的熱力學和動力學過程、分子對接方法、分子柔性的處理和打分函數的研究等。

課程除了講述以上內容外，還將緊密結合學院病毒藥理研究室和筆者所在的分子設計與生物信息研究室的主要研究方向，重點講述分子對接在藥物篩選中的應用。學院已獲批的國家“973”、“863”等多個抗艾滋病藥物研發項目，國際科技合作環境污染物監測項目，都為這部分內容提供了豐富的教學案例和素材，可調動學生學習的積極性，同時配合上機操作，對提高學生理論聯系實際、創新思維及動手能力具有重要意義。

另外，緊跟科技前沿，還將引入國際CAPRI（Critical Assessment of Prediction of Interactions）復合物結構預測實驗內容。講授歷屆實驗中國外和我們科研小組的最新工作，同時在課余指導學生參加實驗，這將是課程的一大突出特色。CAPRI實驗是歐洲生物信息學中心舉辦的，自2001年啟動到現在已進行了27屆比賽。課題組作為中國高校的首個代表共參加了26屆，并應邀參加了在法國、意大利、加拿大和西班牙舉辦的1-4屆CAPRI研討會。相信這一內容的引入不僅可以大大激發學生學習的興趣，而且可提高其創新思維和迎接挑戰的能力。

3.蛋白質和核酸空間結構預測及功能性運動

蛋白質和核酸對生命活動的維持至關重要，其空間結構和動力學性質決定了它的生物學功能。因此蛋白質和核酸如何形成天然結構，即折疊問題，以及功能性運動問題是“分子生物物理”中十分重要的內容。其研究對蛋白質工程設計人類需要的生物分子具有重要的科學和實際意義。教學內容包括：蛋白質和核酸折疊的理論基礎、折疊模型及方法、折疊的研究熱點及有待解決的問題、彈性網絡模型、蛋白質和核酸功能性運動及變構研究等。

這部分內容將結合筆者所在研究室的工作來進行。該研究室一直在從事生物分子折疊、空間結構預測及功能性運動方面的研究工作，獲得1項國家自然科學基金重大項目子課題、4項國家自然科學基金項目和2項教育部博士點基金項目的資助。曾在國際知名刊物發表相關論文多篇，受到國際同行的認可。另外本研究室還建立了與中國科學院生物物理研究所的合作關系。這些都為這部分內容的建立奠定了良好的基礎。

4.研究生物分子系統的物理方法和技術

生物物理技術在分子生物物理中占有特殊地位，它極大地推動了分子生物物理學的發展，是該學科中不可缺少的一個重要組成部分。這部分主要介紹幾種研究生物分子體系重要的物理方法和技術，包括核磁共振、圓二色性光譜、紫外-可見吸收光譜、紅外與拉曼光譜和原子力顯微鏡等，同時講解這些方法和技術在具體生物分子體系研究中的應用。

課程將緊密結合學院生物技術、病毒藥理研究室和生物醫學工程中心等的主要研究方向，講述紫外、熒光光譜方法在蛋白質折疊及生物分子識別研究中的應用，圓二色光譜方法在蛋白質二級結構測定中的應用，核磁共振方法在生物分子動力學性質研究方面的應用等。本章與前兩部分內容形成了很好的呼應，分別是對同一研究問題從理論和實驗兩個角度的講解，這對學生構建該課程完備的知識體系具有重要意義，理論聯系實際對其創新性工作的提出形成潛在的影響。

以上課程內容的設置緊跟國際前沿，并與學院的科研項目密切聯系，因此該課程的成功建設必定會對學院研究生的培養起到良好的促進和指導作用。同時該領域科研項目的深入開展又會進一步推動該課程內容的更新與調整，形成良性循環。

二、現代教學方法和手段相結合，切實講好每一堂課

要搞好教學，除了教學內容，還要有與其相適應的教學方法和模式的建立。針對“分子生物物理”學這門課，如何優化教學方法來激發學生學習興趣，培養他們創新的精神和能力，是筆者孜孜以求的問題。筆者在近年來的教學實踐和與老一輩教師的交流中，總結了一些現代教學方法和模式，希望在教學中大膽嘗試并不斷完善。

1.從頭至尾貫穿實踐訓練，培養學生動手能力

實踐教學在人才培養中不可或缺。實踐教學最根本的目的就是幫助學生將書本知識運用于生產實踐，完成從書本到現實、從理論到實踐的飛躍。[2]

從第一節課起，就讓學生尋找一個感興趣的生物分子體系，且這個體系將作為研究對象貫穿整個課程。隨著課程的深入，會講到一系列的方法來研究生物分子的相互作用與識別，折疊及功能性運動等，這涉及一些大型軟件包的使用。熟練使用這些模擬軟件，無疑對碩士生研究工作的順利進行十分重要。筆者指導學生逐步應用這些軟件到自己感興趣的體系上，分析獲得初步結果。由于所選擇的分子是學生感興趣的體系，所以他們會迫不及待積極主動地去嘗試運用這些方法，希望得到一些數據來說明該體系特有的性質。根據情況安排時間讓學生與大家分享研究結果。在這一有趣的探索過程中，不僅增強了學生的學習興趣，讓學生體驗發現的喜悅，而且可以使他們熟練掌握軟件的操作和相關方法的原理。

2.研究性教學，激發學生的求知欲望

在教學中，采用研究性教學方式，重視傳授知識形成的過程，將知識得以產生的起因或研究過程展示給學生，開發學生的智慧，激發他們自主學習和探究的動機。另外在此過程中，培養他們敢于向權威挑戰的精神，這是創造性人才所需要的重要品質。

研究性教學的關鍵是研究性教學方案的設計。分子生物物理中一些重要的理論知識都是通過科學實驗研究得出的。針對這一情況，通過動畫、錄像、電影等表現形式，將諸如X-射線衍射的發現、DNA雙螺旋結構的證實、蛋白質折疊的Anfinsen原理的提出等展現在學生面前，既有科學性，又有故事性。學生則像科學家一樣，以主人公的身份去發現問題、分析問題、解決問題，并在探究過程中獲取知識、發展技能、培養創新能力。當學生把被動接受知識的過程變為主動探究獲得知識的過程時，就會產生一種成功感，一種極大的求知欲望。另外，實驗過程中，科學家從失敗到成功的艱辛之旅將成為鼓舞學生勇于探索，攀登科學高峰的永遠的精神動力。

3.引入創新性實踐教學模式

研究生教學應尤其重視教學與科研的結合。筆者計劃將理論聯系實際，在課余開展創新性實踐教學活動，引入CAPRI實驗。方案如下：

（1）學生的分組及原始數據的取得。根據學生的興趣和背景將其分組。筆者及所指導的高年級研究生都可以作為他們所咨詢的對象。指導學生上互聯網下載實驗的題目。

（2）模型的建立。在學生掌握了蛋白質復合物結構預測理論的基礎上，引導學生對目前國際上所采用的模型及方法展開深入細致的分析和討論，鼓勵學生大膽發現并指出其中的問題與不足，提出多種可能的解決方案。給學生一定的時間，按小組自行討論，設計自己的模型，并分組向教師匯報。教師在此基礎上給出建議，盡可能幫助建立一套合理、可行的方案。

（3）預測并提交結果。各小組分頭進行蛋白質復合物的結構預測，并可與同時期參加預測的教師及高年級學生進行討論。在一定時間范圍內，提交一定數量的結構給教師。考慮到與高年級學生相比，他們的科研能力畢竟有限，因此我們將其獲得的結果與高年級參賽學生預測的結果放在一起進行全面的分析，最終確定要提交的10個可能正確的結果。

（4）預測結果的評價。大賽組委會對各小組提交的結果進行評價，并公布預測結果。同時，蛋白質復合物的實驗結構也會公開，這樣教師就可以通過比較學生的預測結果與實驗結構之間的近似程度，對各組學生提交的預測結果給予評判，并公布預測結果。

（5）總結經驗，分組匯報，并給予一定的獎勵。各小組總結成功與失敗的經驗，做成PPT向大家匯報，并答辯。教師根據成績、工作態度和投入情況，計入考試成績的一部分。對那些成績較好的小組，教師可以指導其撰寫科技論文或申請研究生項目。通過這一創新性實踐教學活動，充分發揮學生的主體性和能動性，各方面的能力均可得到很好的鍛煉，包括創新思維能力、解決問題的能力、動手能力、答辯能力和組織協調能力等。

三、結束語

課程建設將面向學院主要科研方向，對教學內容和方法進行設計和優化，重點引入實踐訓練環節和國際CAPRI實驗創新性教學模式，最終將“分子生物物理”建設成一門先進教學內容和現代教學方法相融合的課程，從而激發學生學習的興趣，提高其創新思維能力和迎接挑戰的能力。

參考文獻：

[1]張慧茹，趙紅月，趙銀麗，等.交叉學科與研究生創新人才的教育[J].中國電力教育，2011，（34）.

[2]吳林根.大眾化高等教育背景下大學實踐教學體系的構建[J].高教論壇，2004，（12）.

（責任編輯：劉輝）